Pokaż PDF

114
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
UKD 622.333(862): 622.62-1/8(862): 622.271(862)
Największy system mechanizacyjny górnictwa odkrywkowego,
kopalnia węgla kamiennego El Cerrajón, Kolumbia
The largest machinery system of surface mining in hard coal mine
El Cerrajón in Colombia
Mgr inż. Anna Kulczycka*)
Dr hab. inż. Jacek M. Czaplicki, prof.
Politechniki Śląskiej*)
Treść: Metodami powierzchniowymi na świecie wydobywa się około 90 % surowców mineralnych, licząc w tonach masy. Znaczna
część to węgiel brunatny i kamienny. Jedną z największych odkrywkowych kopalń węgla kamiennego jest kopalnia El Cerrajón
w Kolumbii. Pracuje tam największy system maszynowy na świecie. W niniejszej pracy opisano specyfikę kopalni, stosowaną
metodę wydobycia oraz eksploatowany system mechanizacyjny.
Abstract: By means of surface mining methods, 90 % of mineral commodities in the world used to be extracted counting in tonnes of
mass. Large part of it are hard coals and lignite. One of the largest open pit mine is El Cerrejón mine in Colombia. In this
mine the largest machinery system is in operation. This paper presents the specification of the mine, the mining method
applied and the machinery system which is the subject of this paper.
Słowa kluczowe:
górnictwo powierzchniowe, kopalnia odkrywkowa, największy system maszynowy na świecie
Key words:
surface mining, open pit mine, the largest machinery system in the world
1. Wprowadzenie
Jak wiadomo, węgiel kamienny wydobywany jest przede
wszystkim metodami powierzchniowymi i podziemnymi. Są
także metody pośrednie – Auger mining, Highwall mining
oraz Punch longwall mining1 – stosowane w kopalniach
powierzchniowo-podziemnych (Czaplicki 2013, [1]). Cały
system mechanizacyjny lub jego część znajduje się na powierzchni, a wybiera się pokład węgla zalegający w górotworze. Metoda Auger mining, która polega na urabianiu węgla
wiertłami talerzowymi, jest najstarsza i ma ponad 50 lat. Jest
to metoda mało efektywna, w której stopień odzysku kopaliny
użytecznej nie przekracza 50 %. Dwie pozostałe metody są
stosunkowo nowe i polegają na urabianiu węgla kombajnami
(ścianowym lub komorowym) o zmodyfikowanej konstrukcji.
*) Politechnika Śląska, Gliwice.
1
Podane nazwy są angielskojęzyczne, gdyż metody te opracowano
w krajach angielskojęzycznych (USA, Australia) i jak na razie brak jest
polskich odpowiedników tych terminów.
Metody te wypracowano pod koniec ubiegłego wieku. Należy
zaznaczyć jednakże, iż znaczenie tych metod jest marginalne,
choć liczba miejsc, w których prowadzi się wydobycie tymi
metodami wzrasta.
Jeżeli chodzi o wybieranie pokładów węgla metodami
powierzchniowymi, to w zależności przede wszystkim od
kąta nachylenia bądź pokładu bądź pokładów buduje się
albo wyrobiska typu stożkowego albo wyrobiska szerokie,
charakterystyczne dla eksploatacji poziomych złóż węgla
brunatnego. Jest to podyktowane możliwością zastosowania
systemu mechanizacyjnego w danej kopalni.
Gdy złoże zalega poziomo lub jest o niewielkim nachyleniu (rzędu kilku stopni), wówczas można zastosować
tzw. system ciągły; koparkę wielonaczyniową – przenośniki
taśmowe –zwałowarkę (popularnie zwany w Polsce układem
KTZ) dla urabiania, odstawy i zwałowania skał płonnych. Sam
węgiel można urabiać koparką wielonaczyniową. Czasami,
jako środek odstawy bywają stosowane pociągi.
Gdy nachylenie pokładu jest większe, wówczas zastosowanie koparki wielonaczyniowej jest niewskazane. Organ
urabiający będzie przybierać w sposób znaczący warstwę
Nr 12
PRZEGLĄD GÓRNICZY
otaczającą węgiel. Poza tym, gdy spąg wyrobiska jest nachylony i gdy byłaby realizowana eksploatacja koparką tego typu,
wówczas mogą pojawiać się znaczne momenty gnące w konstrukcji kartowniczej superstruktury maszyny, co może grozić
jej połamaniem. Dla prowadzenia wydobycia konieczne jest
zastosowanie innych maszyn urabiających. Gdy węgiel nie jest
zbyt twardy, można stosować koparki łyżkowe. W przypadku
twardszych warstw, niezbędne jest ich wstępne rozkruszenie.
Można to uczynić osprzętem zrywakowym zamontowanym
na spycharkach. W ostateczności można zastosować urabianie
materiałami wybuchowymi.
Przykładem tego typu eksploatacji górniczej można
obejrzeć w kopalni El Cerrajón w departamencie La Guajira
w Kolumbii. W tym zakładzie górniczym jest użytkowany
największy system mechanizacyjny na świecie.
Celem niniejszej pracy jest zapoznanie Czytelnika ze specyfiką kopalni, stosowaną w tej kopalni metodą wydobycia
oraz prezentacja systemu maszynowego tam zastosowanego.
Rozwiązania mechanizacyjne istniejące w tej kopalni nie są
stosowane w Polsce, więc wydaje się, iż warto je Czytelnikom
Przeglądu Górniczego zaprezentować.
2.Opis kopalni
Właścicielem kopalni jest konsorcjum złożone z trzech
podmiotów gospodarczych: BHP Billiton, Anglo-American
i Xstrata, każde posiadające takie same udziały.
Kopalnia El Cerrejón znajduje się u nasady półwyspu
Guajira, w północnej Kolumbii (rys. 1). Prace przygotowawcze poprzedzające eksploatację, budowa kopalni, jej
wyposażenie, budowa linii kolejowej dla transportu urobku
do portu Oceanu Atlantyckiego Puerto Bolivar wraz z terminalem portowym pochłonęła 3 miliardy dolarów. Wydobycie
rozpoczęło się w 1985 roku.
W wyniku przeprowadzonych badań geologicznych
stwierdzono, że w tym rejonie, obejmującym 70 hektarów,
jest około 40 złóż węgla możliwych do wydobycia i których
eksploatacja ma sens ekonomiczny. Węgiel charakteryzuje się
dobrą jakością; zawartość siarki jest niska – 0,7 %, zawartość
popiołów – 7,5 %. Głębokość zalegania złóż nie przekracza 100 m. Pokłady mają grubość od 0,7 do 10 m. Średnia
grubość pokładu to około 3m, a średnie nachylenie to 16o.
W obszarze tym w warstwach górotworu, niestety, znajdują
się liczne uskoki i pofałdowania. Zasoby kopaliny użytecznej
są szacowane na 5250 milionów ton.
115
Rys. 1.Lokalizacja kopalni i port Puerto Bolivar
Fig. 1. Location of the mine and the Puerto Bolivar harbour
Wcześniej, węgiel wydobywany był w pięciu odkrywkach:
Tabaco, La Puente, Oreganal, Tajo 100 i Comuneros, po kilka
pokładów naraz, sekwencyjnie. Obecnie zbudowano dwie
dalsze odkrywki. Standardowa wysokość urabianego poziomu wynosi 15 m. Po zdjęciu warstwy wierzchniej, która jest
pieczołowicie składowana, a następnie sukcesywnie używana
do prac rekultywacyjnych, nadkład jest urabiany za pomocą
techniki strzelniczej, a następnie ładowany na środki transportowe. Jest on zwałowany w wyrobiskach poeksploatacyjnych
lub na zwałach zewnętrznych. Prace rekultywacyjne stale
towarzyszą wydobyciu. Na rysunkach 2 i 3 przedstawiono
wyrobiska eksploatacyjne.
Od początku eksploatacji do 2011 roku w kopalni wydobyto 508,8 mln ton węgla, co dało w efekcie ponad 2 miliardy
dolarów zysku. Z końcem 2011 roku w El Cerrejón osiągnięto
wydobycie 32 mln ton/rok. Analizując eksport można stwierdzić, że w 58 % urobek jest dostarczany do Europy, w 21 %
do państw basenu morza Śródziemnego i dalszych krajów
azjatyckich, 12 % pozostaje w Ameryce Południowej i w 9 %
węgiel jest dostarczany do krajów Ameryki Północnej.
W sierpniu 2011 roku ogłoszono, iż konsorcjum planuje
wydać 1,3 miliarda USD dla zwiększenia wydobycia. Planuje
się osiągnięcie wydobycia 37 mln ton w roku 2014, a w 2015
roku – 40 mln ton rocznie. Docelowo, mówi się o osiągnięciu
Rys. 2a i b. Widok ogólny kopalni El Cerrejón
Fig. 2a and b. General view of the mine El Cerrejón
a) http://www.hispanicallyspeakingnews.com/latino-daily-news/details/multinationals-to-invest-1.3-billion-incolombian-mine-el-cerrejon/12220/
b) http://www.multiwatch.ch/fr/p97000520.html
116
PRZEGLĄD GÓRNICZY
produkcji 60 mln ton rocznie. Pozostaje jednakże niepewność,
co do planowanego zwiększenia wydobycia, z uwagi na fakt,
iż zanotowano ataki rebeliantów z ugrupowania FARC na
pociągi z węglem w październiku 2013 roku.
Większa produkcja będzie wymagała zwiększenia:
– systemu maszynowego kopalni,
– systemu wzbogacania,
– systemu zabezpieczenia technicznego,
– możliwości transportowych odstawy szynowej,
– możliwości załadunkowych w porcie Bolivar,
– liczby zatrudnionych.
Planuje się budowę nowego terminalu dla załadunku
równoległego dwóch statków jednocześnie z urządzeniami
załadunkowymi o wydajności 12 000 t/godz. Sam rejon wodny portowy musi zostać przygotowany, aby dwa duże statki
mogły swobodnie manewrować na przybrzeżnych wodach.
W kopalni jest obecnie zatrudnionych około 5400 pracowników, natomiast dalszych 4500 ma zatrudnienie w
firmach kooperujących z kopalnią. Planuje się zwiększenie
zatrudnienia w związku z planowanym wzrostem wydobycia.
3.System mechanizacyjny
Zastosowany system maszynowy jest nie tylko największy
w skali światowej, lecz także należy do najbardziej nowoczesnych.
Urabianie realizowane jest w trojaki sposób:
– nadkład: poprzez wiercenie i strzelanie,
– węgiel: spycharko-zrywarkami, pomocniczo: koparkami
łyżkowymi.
Koparki łyżkowe, obecnie głównie P&H 2800XPC (masa
użyteczna w łyżce 60 t), (rys. 3), służą przede wszystkim
jako maszyny ładujące. Urabianie za ich pomocą odbywa się
w niewielkim stopniu. Liczba tych maszyn w kopalni wynosi
50 jednostek. Spycharko-zrywarek jest około 100, przy czym
część z nich jest na podwoziu kołowym. Praca tych maszyn
w polu eksploatacyjnym jest pokazana na rysunku 4a i b.
Widoczne na tych rysunkach spycharki są produkcji firmy
Caterpillar. Niektóre maszyny są wyposażone w tzw. system
impact ripper realizujący zrywanie bardziej efektywnie od
konwencjonalnych zrywarek dzięki mechanizmowi udarowemu będącemu na wyposażeniu tych maszyn. Są to maszyny
typu D11N (moc 700 kW, masa 105 t).
Rys. 3.Łyżkowa koparka linowa P&H 2800XPC
Fig. 3. P&H 2800XPC bucket excavator
Urobiony węgiel jest ładowany na wozy oponowe
odstawcze typu wozidła, tak jak to widać na rysunku 5.
Pierwotnie, wozidła (w liczbie 150 jednostek) były głównie o udźwigu użytecznym 154 tony, firm Wabco i Euclid2.
Obecnie eksploatowane wywrotki mają ładowność 190, 240
i 363 tony, a liczba tych maszyn przekroczyła 260. Węgiel
z wyrobisk transportowany jest do trzech 300 tonowych lejów
załadowczych (rys. 6), skąd zostaje skierowany do zakładu
przeróbczego. Jest tam kruszony na ziarna do 50 mm średnicy w dwuetapowym procesie kruszenia. Wydajność zakładu
przeróbczego wynosi 3500 t/godz. Po kruszeniu urobek jest
skierowany do dwóch zbiorników, w których oczekuje na
transport.
Kopalnia ma 150 km torów szynowych, po których
pociągi transportują węgiel ze zbiorników do portu Bolivar
dla załadunku na statki. Wykorzystuje się typową krajową
kolej, gdzie każda z lokomotyw może ciągnąć 109 wagonów
(średnio, każda lokomotywa ciągnie 107 wagonów). Łącznie
kopalnia ma 562 węglarki o nominalnej ładowności 96 ton lub
110 ton. Przy załadunku węgiel jest wyrównywany, zwilżany
oraz zagęszczany (rys. 7 i 8) w celu ochrony środowiska; zapobieganiu wznoszenia się pyłu węglowego podczas transportu.
http://www.cerrejon.com/site/english/press-room/multimedia-gallery/railway.aspx
Rys. 4a i b. El Cerrejón: spycharko-zrywarki kruszące węgiel
Fig. 4a and b. El Cerrejón: bulldozer-ripper crushing coal
2
2014
Wabco, Haulpack, LeTourneau, Dresser i Hanomag to obecnie jednostki firmy Komatsu.
Nr 12
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Rys. 5. El Cerrejón: koparka linowa ładująca na wozidła
Fig. 5. El Cerrejón: power shovel loading dumper trucks
Rys. 6. El Cerrejón: rozładunek węgla do leja załadowczego
Fig. 6. El Cerrejón: unloading coal to the charging hopper
Rys. 7.Wyrównywanie węgla po załadunku
Fig. 7. Levelling coal after loading
Rys. 8. Zwilżanie węgla przed transportem
Fig. 8. Wetting coal prior to transport
117
Kolej jest również wykorzystywana do dostarczania podstawowych środków niezbędnych do funkcjonowania kopalni
i eksploatowanego tam systemu maszynowego. Mowa tu
o takich materiach jak: olej napędowy, opony, części zamienne
itd. Transport koleją w obie strony wraz z załadunkiem i rozładunkiem węgla trwa ok. 12 godzin. W ciągu jednego dnia
pociąg pokonuje trasę pomiędzy kopalnią a portem 9 razy.
Niektóre stosowane lokomotywy to bardzo popularne
swego czasu w Ameryce Północnej i Południowej jednostki
typu GE B36-7. Są to lokomotywy czteroosiowe spalinowo-elektryczne produkowane przez GE Transportation Systems
w latach 1980 i 1985. Część maszyn powstała specjalnie na
potrzeby kopalni El Cerrejón; są to maszyny o mocy 2700
kW (rys. 9).
Maszynami pomocniczymi w systemie mechanizacyjnym
są ładowarki łyżkowe w liczbie 20 jednostek oraz równiarki
w liczbie 30 jednostek (rys. 10 i 11). Ładowarki łyżkowe
głównie firmy Le Tourneau, służą do różnych robót pomocniczych. Mają także zastosowanie jako jednostki zapasowe
dla załadunku na wozidła w przypadku, gdy jakaś koparka
łyżkowa jest w naprawie. Równiarki (graders, głównie firmy
Caterpillar) służą do budowy nowych odcinków dróg transportowych i ponadto mają za zadanie utrzymanie istniejących
dróg transportowych w odpowiednim stanie. Z tej racji, iż
system wozów oponowych liczy bardzo wiele jednostek, więc
równiarki pracują prawie 24 godz/dobę.
Ogólna liczba jednostek pomocniczych zbliża się obecnie
do 100.
Rys. 9.Lokomotywa GE B36-7
Fig. 9. Locomotive GE B36-7
Dla tak wielkiego systemu maszynowego kopalnia ma
warsztaty obsługi technicznej, których powierzchnia obejmuje
łącznie 26 000 m2.
Port Bolivar to de facto terminal węglowy, który jest wyposażony w system ładowania od 1985 roku. Kanał żeglugi
ma 19 m głębokości, 225 m szerokości, i 4 km długości i jest
jednym z najważniejszych portów węglowych w Ameryce
Południowej z zastosowaniem – co warto odnotować – tzw.
czystej technologii. Jest także jednym z największych portów
na świecie. Może on obsługiwać statki do 180 000 ton ładowności, 300 m długości oraz do 45 m szerokości. Wyposażony
jest także w stację dokującą dla statków do 30 000 ton, które
przewożą sprzęt, części zamienne, paliwa oraz inne towary
niezbędne dla kopalni. Średnie obciążenie portu w skali roku
wynosi ok. 6300 ton na godzinę, a wartości maksymalne
sięgają nawet 11 000 ton na godzinę (rys. 12, 13).
118
PRZEGLĄD GÓRNICZY
Rys. 10. Ładowarka łyżkowa
Fig. 10. Bucket wheel loader
2014
Rys. 11. Równiarka
Fig. 11. Grader
Rys. 12. Jeden z największych portów węglowych na świecie
Fig. 12.One of the largest coal terminal in the world
Rys. 13. Załadunek statku w porcie Bolivar
Fig. 13.Ship loading in Puerto Bolivar harbour
http://www.cerrejon.com/site/english/press-room/multimedia-gallery/puerto-bolivar.aspx
pracuje tam około 500 maszyn. Można prognozować, że dla
osiągnięcia planowanego wydobycia 60 mln ton węgla rocznie, system maszynowy ulegnie podwojeniu.
4. Podsumowanie
Jak zapewnia właściciel kopalni, proces wydobycia opiera
się na najwyższych standardach bezpieczeństwa i jakości.
Największą zaletą i cechą charakterystyczną kopalni jest pełna
integracja procesów produkcyjnych (kopalnia-kolej-port), co
zapewnia dużą wydajność pracy oraz redukuje negatywny
wpływ produkcji górniczej na środowisko.
Kopalnia El Cerrejón jest największym zakładem górnictwa węgla kamiennego na kontynencie Ameryki Południowej.
Jest także największym eksporterem tego surowca w tym
rejonie świata. Jej działalność jest różnoraka i obejmuje poszukiwania geologiczne, eksploatację, transport, załadunek
na statki oraz eksport węgla.
Podsumowując, system mechanizacyjny prezentuje się
następująco:
Maszyna
Koparki
Wywrotki
Maszyny pomocnicze
w tym:
Ładowarki łyżkowe
Spycharko-zrywarki
Równiarki
Lokomotywy
Rodzaj
190t, 240t, 320t
Liczba (szt.)
50
260
185
20
100
30
20
Podane wartości liczbowe są szacunkowe, gdyż kopalnia
jest w rozwoju i system ulega stałej rozbudowie. Obecnie
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Czaplicki J.M.: Mechanizacja w górnictwie okruchowym i skalnym.
Kopalnie odkrywkowe złóż pokładowych i rud metalicznych. Wyd.
Pol. Śl., Gliwice 2013.
Ivette E. Torres.: The Mineral Industry of Colombia, U.S. Geological
Survey, U.S. Dept. of the Interior, December 2007.
BHP Billiton, Cerrejon Coal Company, BHP Billiton website.
http://www.infomine.com/minesite/minesite.asp?site=cerrejon
http://www.cerrejon.com/site/english/
http://www.cerrejon.com/site/Portals/1/Documents/pdf/sustainability_reports/Cerrejon_Sustainability_Report_2011.PDF
http://www.mining-technology.com/projects/cerrejon/